10653

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Вывод. Достижение высоких классов энергосбережения новых и реконструируемых многоквартирных жилых домов в условиях действующих требований санитарной гигиены невозможно без комплексного подхода к снижению потребления энергетических ресурсов, включающего не только тепловую изоляцию наружных ограждающих конструкций, но и рекуперацию теплоты вытяжного воздуха.

Библиография

1.Гагарин, В.Г. Учет теплопроводных включений при определении тепловой нагрузки на систему отопления зданий / В.Г. Гагарин, В.В. Козлов, А.Ю. Неклюдов // Бюллетень строительной техники. – 2016. – № 2 (978). – С. 57-61.

2.Морозов, М.С. Особенности проведения капитального ремонта систем отопления многоквартирных жилых домов / М.С. Морозов // Приволжский научный журнал. – 2016. – № 4. – С. 32-38.

3.Рымаров, А.Г. Основные причины несоответствия фактического уровня тепловой защиты наружных стен современных зданий нормативным требованиям / А.Г. Рымаров, А.И. Ананьев, О.И. Лобов // Промышленное и гражданское строительство. – 2016. – № 11. – С. 67-71.

4.ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата

впомещениях. – М.: Стандартинформ, 2013. – 15 с.

5.СП 54.13330.2016. Здания жилые многоквартирные. Правила проектирования. Актуализированная редакция СНиП 31-01-2003. – М.: Минстрой России, 2016. – 52 с.

6.Изменение № 1 к СП 50.13330.2012 «СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий». – М.: Стандартинформ, 2018. – 17 с.

7.СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. – М.: ФАУ «ФЦС», 2012. – 95 с.

_________________________________________________________________________________

210 Вестник ПТО РААСН, выпуск 23

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ В ПРОЦЕССЕ КЛИМАТИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ *

Т.А. НИЗИНА, В.П. СЕЛЯЕВ, А.Н. ЧЕРНОВ, Д.Р. НИЗИН, А.И. ГОРЕНКОВА ________

В последние десятилетия все больше внимания уделяется повышению долговечности строительных изделий и конструкций. Для обеспечения их надежной эксплуатации в условиях действия агрессивных факторов активно применяются полимерные покрытия на основе эпоксидных смол, обладающие высокой химической стойкостью, механической прочностью и износостойкостью [1 – 4]. Однако, не смотря на внушительный ряд положительных качеств, эпоксидные покрытия характеризуются недостаточной стабильностью свойств при натурной эксплуатации [5 – 7]. Влияние тепла, влажности, солнечной радиации и кислорода ускоряет процесс старения полимеров, в ходе которого изменяются физико-механические, диэлектрические, теплоизоляционные и другие характеристики. Об интенсивном протекании процессов деградации под действием климатических факторов может свидетельствовать не только снижение основных эксплуатационных свойств, но и изменение внешнего вида изделий в результате потери блеска, меления, изменения цветовой насыщенности и однородности окраски [8, 9].

Старение полимеров в процессе натурной эксплуатации обусловлено комплексным воздействием нескольких факторов, однако в ряде исследований отмечается, что наибольшее влияние на изменение их колориметрических характеристик оказывает солнечная радиация [10, 11]. Деградация полимерных материалов под действием солнечного света включает первичные и вторичные реакции. При поглощении фотонов света в результате первичных реакций происходит разрыв связей полимера и образование свободных радикалов, которые в процессе вторичных реакций взаимодействуют с окружающей средой [9, 12]. Как правило старение эпоксидных материалов под действием солнечного излучения рассматривается как фотоокислительная деструкция. Для протекания первичных фотохимических реакций необходимо поглощение света с достаточной энергией, которая растет с уменьшением длины волны. Таким образом, из всего диапазона волн солнечного спектра, достигающих поверхности Земли, наиболее агрессивным действием обладает ультрафиолетовое излучение, энергия которого достаточна для разрушения большинства связей в полимерах [5, 7, 12]. Однако изменения в материале вызывает только поглощаемая им часть излучения. Избирательное поглощение света связано с химическим составом полимера, в зависимости от которого для каждого материала существует диапазон длин волн, инициирующих фотохимические реакции [12, 13]. При этом не все поглощённое излучение инициирует фотохимические реакции, поскольку большая часть попавшей на материал солнечной радиации, как правило, преобразуется в тепло. В летние месяцы под действием солнечного света поверхность строительных изделий и конструкций может нагреваться более чем на 30 выше температуры окружающей среды [14 – 18]. Разница температур поверхности изделия и окружающего воздуха повышается при изменении окраски от белой к цветной, далее коричневой и черной [11].

Для оценки влияния солнечного излучения на изменение декоративных характеристик эпоксидных покрытий были изготовлены образцы пяти составов, три из которых представляли собой полимеры на основе низковязкой эпоксидной смолы Этал-247 и отвердителей – Этал-1472, Этал-45 TZ2 и Этал-2МК, в зависимости от использования которых формировались покрытия, соответственно, черного, коричневого и полупрозрачного цветов (табл. 1). Еще два вида полимерных образов были изготовлены на основе: двухкомпонентного полимерного напольного покрытия «Полидек ЭП-500» и

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

двухкомпонентного эпоксидного компаунда Этал-27HT/12HT, образующих, соответственно, покрытие светло-серого цвета и полупрозрачное покрытие.

Экспонирование исследуемых образцов в натурных условиях проводилось с апреля 2015 в течение двух календарных лет на испытательных стендах экологометеорологической лаборатории Национального Исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва (Республика Мордовия, г. Саранск). Район экспонирования характеризуется умеренно-континентальными климатическими условиями. Оценка интенсивности воздействия суммарной солнечной радиации и ультрафиолетовых излучений диапазонов A и B осуществлялась с использованием автоматической станция контроля загрязнения атмосферного воздуха, включающей актинометрический комплекс. Измерение метеорологических и актинометрических параметров производилось, соответственно, с частотой 20 и 10 минут в круглосуточном режиме.

Для оценки декоративных характеристик применялся метод прямого сканирования, в основе которого лежит возможность получения растрового изображения структуры материала при сканировании поверхности, выражаемой в виде функции цвета [8, 10]. Разложение цветовых составляющих полученного изображения на спектры с определенной частотой позволяет получить количественное описание колориметрических показателей. Описание декоративных характеристик с использованием метода прямого сканирования и его аналогов нашло широкое применение в ряде исследований [19 – 21]. Несмотря на схожесть подходов к оценке свойств покрытий, для описания их цветовых параметров используются разные цветовые модели: Lab, SMYK, HSB, RGB и т.д. Однако учитывая, что полимерные материалы, используемые в строительстве, отражают световое излучение, наиболее целесообразным для количественного описания их декоративных характеристик является применение субтрактивной модели

CMYK [8, 21].

Сканирование образцов осуществлялось с разрешением 2400 dpi при помощи полноцветного планшетного сканера Epson Perfection V330. Для количественного описания колориметрических характеристик применялся программный комплекс «Статистический анализ цветовых составляющих лакокрасочных покрытий» [22], в основе работы которого лежит использование цветовой модели CMYK. Для повышения точности описания декоративных характеристик добавлен дополнительный канал «Яркость». Площадь сканируемой поверхности составляла 80×100 мм, что соответствовало анализу на одном образце более 71 млн. пикселей (9448×7559).

Цветовая насыщенность и полная цветовая насыщенность (с учетом яркости) определялись по формулам [8, 10]:

_________________________________________________________________________________

212 Вестник ПТО РААСН, выпуск 23

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

(1)

(2)

где , , , и – цветовое различие по насыщенности голубой, пурпурной, желтой, черной составляющих и яркости.

Определение цветового различия по насыщенности производилось путем сравнения исследуемого состава с абсолютно белым с максимальной плотностью распреде-

ления ( при [10]:

Рис. 1. Значения полной цветовой насыщенности (с учетом яркости) (а) и цветовой насыщенности (б) исследуемых полимеров в исходном состоянии

Для оценки изменения колориметрических характеристик эпоксидных полимеров в ходе натурного экспонирования использовались значения цветового различия и полного цветового различия (с учетом яркости) [8, 10]:

(4)

(5)

где – изменения цветовых различий по насыщенности под действием климатических факторов, соответственно, для голубой, пурпурной, желтой, черной составляющих и яркости:

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Как известно, характер и скорость деградации полимеров в натурных условиях зависит от действия климатических факторов, интенсивность которых значительно варьируется в зависимости от месяца экспонирования. При проведении климатических испытаний полимерных материалов даже на одной площадке в разные периоды времени без учета сезонной неэквивалентности, а также длительное натурное экспонирование без количественной оценки воздействующих факторов, как правило, приводит к получению существенно различающихся экспериментальных данных и, как следствие, значительным различиям при прогнозировании их долговечности. Поскольку полученная полимерами доза солнечной радиации значительно различается в зависимости от периода экспонирования (рис. 2), при аппроксимации изменения колориметрических характеристик полимерных материалов в процессе климатического старения наряду с длительностью натурного экспонирования учитывались и количественные значения актинометрических параметров.

Рис. 2. Накопленная доза суммарной солнечной радиации в зависимости от месяца экспонирования (2015-2017 гг.)

Кривые, описывающие изменение полного цветового различия в зави-

симости от длительности экспонирования, суммарной солнечной радиации (), ультрафиолетовых излучений диапазонов A () и B (), приведены на рисунке 3. Поскольку по прошествии определенного периода натурного экспонирования для ряда составов наблюдается снижение полных цветовых различий, в то время как аналогичные показатели других составов продолжают расти, для аппроксимации изменений декоративных характеристик исследуемых полимеров в процессе климатического старения использовались два вида экспоненциальных зависимостей. Для составов Этал-247+Этал-45TZ2, Полидек ЭП-500 и Этал-27HT/12HT аппроксимация производилась при использовании модели вида:

(6)

где , , – коэффициенты уравнения, зависящие от состава исследуемого полимера; – переменный фактор, отождествляемый в зависимости от вида анализируемых кривых с длительностью экспонирования (, сутки), суммарной солнечной ра-

_________________________________________________________________________________

214 Вестник ПТО РААСН, выпуск 23

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

диацией (, МДж/м2) или ультрафиолетовым излучением диапазона А (, МДж/м2), В (, кДж/м2).

Для аппроксимации изменений декоративных характеристик составов Этал-247+Этал-1472 и Этал-247+Этал-2МК, для которых сначала наблюдается рост, а затем снижение полных цветовых различий, применялась зависимость:

(7)

где , , – коэффициенты, зависящие от вида исследуемого материала и пере-

менного фактора , принимаемого в соответствии с пояснениями к формуле (6). Числовые значения коэффициентов уравнений (6) и (7) для различных составов

приведены в таблицах 2 и 3 соответственно. Коэффициенты детерминации для всех полученных зависимостей варьируются в интервале 0,924÷0,999, что позволяет судить об их высокой достоверности.

Для всех исследуемых составов характерно значительное изменение декоративных характеристик в первые 120 дней экспонирования, причем наиболее резкое изменение полного цветового различия наблюдается в период от 30 до 120 суток, приходящийся на весенние и летние месяцы, характеризуемые наибольшей интенсивностью солнечного излучения. При этом характер изменения колориметрических показателей исследуемых полимеров существенно зависит от вида эпоксидного связующего (рис.

3).

Рис. 3. Изменение полного цветового различия эпоксидных полимеров в зависимости от длительности экспонирования (а), суммарной солнечной радиации (б), ультрафиолетовых излучений диапазонов А (в) и В (г) при экспонировании в условиях воздействия климатических факторов

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Для полимеров Этал-247+Этал-1472, имеющих черный цвет покрытия, зафиксировано наименьшее изменение декоративных показателей через два года натурного экспонирования по сравнению с другими составами. Причем после 200 суток экспонирования, что соответствует накопленному уровню суммарной солнечной радиации 2500÷2700 МДж/м2, наблюдается снижение значений полного цветового различия, что, очевидно, объясняется началом процесса интенсивного выгорания.

Т а б л и ц а 2

Значения коэффициентов уравнения (6), описывающего влияние длительности экспонирования , интенсивности суммарной солнечной радиации , ультрафиолетовых излучений диапазонов A и B () на колориметрические характеристки эпоксидных полимеров, экспонированных в натурных условиях

Для полимеров на основе связующего Полидек ЭП-500, имеющих светло-серый цвет, и составов Этал-247+Этал-2МК и Этал-27HT/12HT, формирующих полупрозрачные покрытия, выявлена стабилизация декоративных характеристик после 100 суток

_________________________________________________________________________________

216 Вестник ПТО РААСН, выпуск 23

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

натурного экспонирования. Причем стабилизация декоративных характеристик состава Этал-247+Этал-2МК происходит после существенно большего изменения цветовых показателей по сравнению с другими полимерами. После года натурного экспонирования для данного состава установлено снижение полного цветового различия, аналогично образцам, изготовленным на основе Этал-247+Этал-1472. Для образцов состава Этал-247+Этал-45TZ2, имеющих коричневый цвет покрытия, в отличие от остальных исследуемых полимеров, характерно непрерывное изменение колориметрических показателей на всём протяжении экспонирования.

Т а б л и ц а 3

Значения коэффициентов уравнения (7), описывающего влияние длительности экспонирования , интенсивности суммарной солнечной радиации , ультрафиолетовых излучений диапазонов А и В () на колориметрические характеристики эпоксидных полимеров, экспонированных в натурных условиях

Следует отметить, что состав Полидек ЭП-500, имеющий светло-серый цвет покрытия, и Этал-27HT/12HT, образующий полупрозрачное покрытие, обладают схожим характером изменения декоративных показателей, а также близкими по уровню предельными значениями, в которых происходит достижение максимального значения цветовых различий с их последующей стабилизацией на определенном уровне. Это позволяет выдвинуть предположение о существовании для всех исследуемых полимеров ряда общих принципов изменения декоративных свойств, позволяющих описывать процесс климатического старения на основании зависимостей, различающихся параметрами точки стабилизации и предельным уровнем изменения цветовых характеристик.

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

При этом необходимо учитывать, что при расчете цветовых различий по формулам (6) и (7) оценивается изменение свойств полимерных покрытий без возможности проследить снижение или повышение цветовых насыщенностей. Так, например, несмотря на схожие по величине значения полных цветовых различий составов Этал-27HT/12HT и Полидек ЭП-500 (рис. 3) после двух лет натурного климатического воздействия, изменения их цветовых насыщенностей относительно начальных показателей значительно расходятся (табл. 4). Так, полная цветовая насыщенность полимерных образцов, изготовленных на основе связующего Полидек ЭП-500 в процессе климатического старения изменилась более, чем на 23 %, в то время как для состава Этал27HT/12HT изменение данного показателя составило всего 2,35% от исходных значений. Стоит отметить, что для составов Этал-247+Этал-1472 и Этал-247+Этал-45TZ2 наблюдается снижение полной цветовой насыщенности, в то время как для остальных исследуемых составов, напротив, повышение данного показателя.

Т а б л и ц а 4

Изменение цветовых насыщенностей исследуемых эпоксидных полимеров после натурного экспонирования

Таким образом, в результате проведенных исследований оценено влияние актинометрических параметров на изменение колориметрических характеристик эпоксидных композитов в ходе натурного экспонирования. Предложены математические модели, количественно описывающие изменение декоративных характеристик полимерных композитов в процессе климатического старения в зависимости от накопленной дозы суммарной солнечной радиации и ультрафиолетового излучения диапазонов A и B, характеризующиеся высокими коэффициентами детерминации, что подтверждает перспективность их использования для оценки климатической стойкости полимерных материалов. Установлено, что из всех исследуемых составов наибольшей стойкостью колориметрических характеристик в процессе натурного экспонирования обладают полимеры на основе двухкомпонентного эпоксидного компаунда Этал-27HT/12HT.

* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-08-01050.

Библиография

1.Полимерные покрытия для бетонных и железобетонных конструкций / В.П. Селяев, Ю.М. Баженов, Ю.А. Соколова, В.В. Цыганов, Т.А. Низина. – Саранск: Изд-во СВМО, 2010. – 224 с.

2.Хозин В. Г. Основные области применения эпоксидных материалов в технике

//Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2008. – № 11. – С. 12–16.

3.Physical Properties of Polymers Handbook, Second Edition / edited by J. E. Mark. – Ohio: Springer, 2007. – 1038 р.

_________________________________________________________________________________

218 Вестник ПТО РААСН, выпуск 23

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

4.Handbook of Coatings for Concrete / edited by R. Bassi, S.K. Roy. – Latheronwheel: Whittles Publishing, 2002. – 253 p.

5.Павлов И. Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях / А.Н. Мелкумов. – М.: Химия, 1982. – 220 с.

6.Климатическая стойкость полимерных композиционных материалов на основе эпоксидных связующих / Т.А. Низина, В.П. Селяев, Д.Р. Низин, Д.А. Артамонов // Региональная архитектура и строительство. – 2015. – №1. – С 34 42.

7.Ehrenstein, G. Resistance and Stability of Polymers / G. Ehrenstein, S. Pongratz. – Ohio: Hanser Publications, 2013. – 1454 p.

8.Низина Т.А. Защитно-декоративные покрытия на основе эпоксидных и акриловых связующих / Т.А. Низина – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. – 258 с.

9.Сулейманов А.М. Прогнозирование долговечности материалов проекционными математическими методами / А.М. Сулейманов, А.Л. Померанцев, О.Е. Родионова // Известия КазГАСУ. – 2009. – № 2 (12) – С. 274-278.

10.Низина Т.А. Анализ декоративных характеристик эпоксиуретановых покрытий, работающих в условиях воздействия ультрафиолетового облучения / Т.А. Низина, А.Н. Зимин, В.П. Селяев, Д.Р. Низин // Известия КазГАСУ. – 2011. – № 3. – С. 139–144.

11.Bastian M. Einfärben von Kunststoffen. Produktanforderungen. Verfahrenstechnik.

Prüfmethodik / M. Bastian. – München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2010. – 434 p.

12. Рэнби Б. Фотодеструкция, фотоокисление, фотостабилизация полимеров / Б. Рэнби, Я. Рабек. – М.: Мир, 1978. – 675 с.

13.Andrady A.L. Wavelength sensitivity in polymer photodegradation / A.L. Andrady // in the book Advances in Polymer Science. Vol 128: Polymer Analysis Polymer Physics. – New York: Springer-Verlag, 1997. – 223 p.

14.Старцев О.В. Зависимость температуры поверхности образцов от характеристик климата при экспозиции в натурных условиях / О.В. Старцев, И.М. Медведев, А.С. Кротов, С.В. Панин // Коррозия: материалы, защита. – 2013. – №7. – С. 43-47.

15.Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения / Е.Н. Каблов, О.В. Старцев, А.С. Кротов, В.Н. Кириллов // Деформация и разрушение материалов. – 2011. – №1. – С. 34-40.

16.Низина Т.А. Влияние цвета полимерных композиционных материалов на режим эксплуатации защитно-декоративных покрытий в условиях воздействия натурных климатических факторов / Т.А. Низина, В.П. Селяев, Д.Р. Низин, А.Н. Чернов // Региональная архитектура и строительство. – 2016. – №1. – С. 59-67.

17.Низина Т.А. Влияние цвета покрытия и интенсивности актинометрических параметров на температуру перегрева поверхности защитно-декоративных покрытий на основе эпоксидных связующих / Т.А. Низина, В.П. Селяев, Д.Р. Низин, А.Н. Чернов // Вестник Приволжского территориального отделения РААСН. Вып. 19. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2016. – С. 248-257.

18.Низин Д.Р. Исследование влияние цвета покрытия и интенсивности актинометрических параметров на температуру перегрева поверхности полимерных покрытий на основе эпоксидных связующих / Д.Р. Низин, А.Н. Чернов, Т.А. Низина, А.И. Горенкова // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций: материалы Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 75-летию засл. деятеля науки РФ, акад. РААСН, д-ра техн. наук, проф. Селяева В. П. (3–5 дек. 2019 г.). – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2019. – С. 216-225.

19.Ерофеев В.Т. Исследование стойкости полимерных покрытий в условиях воздействия климатических факторов черноморского побережья / В.Т. Ерофеев, И.В. Смирнов, П.В. Воронов, В.В. Афонин, Е.Н. Каблов, О.В. Старцев, В.О. Старцев, И.М. Медведев // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 11 (часть 5). – С. 911-924.

_________________________________________________________________________________